基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置的制作方法

本发明属于柔性多状态开关技术领域，具体涉及一种基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置。

背景技术：

配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户，承担着分配电能、服务客户的重任。当前，配电网内非线性、冲击性负荷比重的持续增加，以及新能源渗透率的不断提高，对配电网的电能质量和供电可靠性提出了更高要求。现有配电网正面临用电需求定制化和多样化、分布式电源接入规模化、潮流协调控制复杂化等多方面的巨大挑战，这些问题采用常规开关等传统调控手段难以同时得到有效解决。

柔性多状态开关是一种新型可控的电力电子装置，可以连接多个电压等级不同的配电线路，具有功率连续控制、谐波阻断、不平衡功率调节等功能，并且调节实时性强，能够频繁动作，控制方式灵活，可以促进馈线负载分配均衡化和电能质量改善。

截止到目前，对柔性多状态开关的研究已取得了一些成果，荷兰埃因霍温理工大学提出的intelligentnode与英国帝国理工学院提出的softnormallyopenpoint(snop)概念，被视为是柔性多状态开关雏形。

公开号为cn108173269a的中国专利提出了一种柔性多状态开关和电网系统，实现了配电网功率连续可控以及对配电网运行的灵活控制，满足分布式电源消纳、高供电可靠性等电力需求。但该专利中所提柔性多状态开关只对其运行过程中的能量流动过程进行了分析，而并没有涉及具体的电力电子开关拓扑的设计与性能探究。

公开号为cn107346887a的中国专利提出了一种基于电力电子变压器的中压三端口柔性多状态开关拓扑，这种拓扑可以对多条中压配电线路进行连通/关断控制，以实现配电网络的快速重构，可对多个中压配电线路进行功率调节，以实现配电网络中的潮流分布优化；但该专利所提柔性多状态开关装置使用了大量高频变压器，增大了装置的体积和重量，装置的设计难度大，制造成本高。

由于柔性多状态开关装置往往需要连接多个电压等级不同的配电线路，而且各配电网实际运行中所连接的变压器联接组别不同，所以各端馈线的电压可能会存在一定的相角差。为达到最佳的电压利用率，不同电压等级的配电线路对直流母线电压的要求不同，直流母线电压大小决定了装置使用的功率开关器件的规格和数量，影响装置的效率和成本。因此直流母线电压应当满足且匹配所连各个配电网对直流母线的电压等级的要求，同时为了适应不同馈线存在电压相角差的需求，柔性多状态开关装置各输出端口的电压相角应独立可控。背靠背结构变流器具有直流电压可控、功率双向流动、控制性能灵活多变等优点，可以实现电网之间的异步互联，因此在高压直流输电领域得到广泛的应用。

模块化多电平换流器(mmc)因其模块化、易扩展、输出谐波性能好等特点得到广泛的关注和研究。为进一步优化输出性能，提高系统效率，同时降低开关装置的制造成本以及提高系统的可靠性，传统的模块化多电平技术在有功无功功率控制、相间不平衡治理、子模块复用及直流故障隔离等方面均得到深入的探究和发展。舟山五端柔性直流输电科技示范工程中，多端柔性直流输电换流器拓扑及其相关的控制技术也得到成功的应用。因此，基于背靠背结构的新型模块化多电平换流器的换流方案成为柔性多状态开关装置的优选参考方案。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明在传统模块化多电平变换器的拓扑基础上对其进行改造、整合，构建出一种基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置，满足配电网对柔性多状态开关装置的各自功能需求，可连接多个不同电压等级的配电网，以便捷实现配电网络重构，控制配电网络中的有功、无功功率流动，优化潮流分布，以提高电能质量和供电可靠性。

一种基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置，包括一个基于混合级联结构的单端口mmc和一个基于桥臂复用的双端口mmc，两个mmc的直流侧通过公共直流母线相连接。

进一步地，所述基于混合级联结构的单端口mmc为三相六桥臂结构，每个桥臂由多个半桥子模块和一个桥臂电抗器依次级联，三相交流侧均串联nf个h桥子模块后作为输出端口连接至配电网，nf为大于0的自然数。

进一步地，所述基于桥臂复用的双端口mmc为三相九桥臂结构，每相由三个桥臂串联而成，每个桥臂由多个半桥子模块和一个桥臂电抗器依次级联，每相的中间桥臂作为复用桥臂，三相复用桥臂与其上桥臂的连接点作为一组输出端口，三相复用桥臂与其下桥臂的连接点作为另一组输出端口，两组输出端口连接至不同电压等级的配电网。

进一步地，所述半桥子模块由两个具有逆向导通能力的功率开关g1～g2和一个电容器c1构成，功率开关g1的一端与电容器c1的一端相连，功率开关g1的另一端与功率开关g2的一端相连并作为半桥子模块的连接端口a，电容器c1的另一端与功率开关g2的另一端相连并作为半桥子模块的连接端口b，两个功率开关g1～g2的控制端接外部设备提供的开关信号。

进一步地，所述h桥子模块由四个具有逆向导通能力的功率开关k1～k4和一个电容器c2构成，功率开关g1的一端与功率开关g2的一端以及电容器c2的一端相连，功率开关g1的另一端与功率开关g3的一端相连并作为h桥子模块的连接端口a，功率开关g2的另一端与功率开关g4的一端相连并作为h桥子模块的连接端口b，电容器的另一端与功率开关g3的另一端以及功率开关g4的另一端相连，四个功率开关g1～g4的控制端接外部设备提供的开关信号。

优选地，所述具有逆向导通能力的功率开关采用igbt。

进一步地，针对配电网不同电压等级、不同相角的馈线互联应用，所述单端口mmc和双端口mmc对直流母线电压等级的要求接近，具有较高直流母线电压利用率和效率。

进一步地，所述三端口柔性多状态开关装置目标应用场合为连接三个电压等级分别为10kv、10kv、20kv的配电网，且两个10kv等级配电网之间存在30°的相角差。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明基于桥臂复用的双端口mmc与传统六桥臂mmc相比，减少了1/4的半桥子模块和桥臂电抗器的使用数量，进而减少了变换器体积和成本，同时增加了系统的可靠性；基于桥臂复用的双端口mmc的两个输出端口电压相位可以不同，且该相位差可控。

(2)本发明采用混合级联结构的单端口mmc具有直流侧短路故障自清除的能力，并且允许一定程度的过调制，有利于降低直流母线电压，降低开关管的电压等级要求，降低设备制造成本。

(3)本发明拓扑的高压端(20kv)与低压端(10kv)对直流母线电压等级要求接近，有利于提高母线两侧直流电压利用率，避免了因电网的不同电压等级导致的直流母线电压不匹配问题。

(4)本发明装置可连接三个不同电压等级的交流输出端口，控制三端口之间的有功功率和无功功率的流动，具备功率连续控制、电压治理、不平衡功率调节的能力。

附图说明

图1为本发明三端口柔性多状态开关装置的结构示意图。

图2(a)为半桥子模块的结构示意图。

图2(b)为h桥子模块的结构示意图。

图3为混合级联结构单端口mmc的故障清除状态示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置拓扑，由一个采用混合级联结构的单端口mmc和一个基于桥臂复用的双端口mmc构成，两部分通过公共直流母线相连接。其中：

(1)采用混合级联的单端口mmc。

混合级联结构单端口mmc，主功率拓扑为传统六桥臂mmc，交流输出侧为级联h桥结构。如图1左侧虚线框内所示，传统六桥臂mmc的每个桥臂包含nh1个半桥子模块和一个桥臂电抗器，共6nh1个半桥子模块和6个桥臂电抗器。每相输出侧级联h桥包含nf个h桥子模块，共3nf个h桥子模块。

半桥子模块由两个逆导功率开关和一个电容器构成，两个逆导功率开关相串联再与电容器并联，如图2(a)所示；h桥子模块由四个逆导功率开关和一个电容器构成，四个逆导功率开关两两串联再与电容器并联，如图2(b)所示。

混合级联结构单端口mmc有两种工作状态，即正常运行状态和故障自清除状态。其中正常运行状态，以a相为例，与传统六桥臂mmc相同，桥臂中点a点电压为：

其中：uh和ul分别为该相上、下桥臂的输出电压。

交流侧输出相电压为：

ua＝ua+ua2

其中：ua2为级联h桥的电压。

一般情况下，传统六桥臂mmc输出电压ua为阶梯波，交流输出电压ua为正弦波，故每一相级联h桥输出电压ua2应该为输出阶梯波和输出正弦波的差值。

故障自清除状态即当系统直流侧发生短路故障的时候，所有开关管的驱动信号会被封锁，短路电流会通过开关管的反并联二极管和级联h桥的电容流过。如图3所示，以a、c相为例，假设短路电流从a相流向c相，即a相电压高于c相电压。短路电流从a相经过a相级联h桥子模块开关管t2、t3的反并联的二极管d2、d3及其电容cf、a相上桥臂半桥子模块开关管t2的反并联二极管d2、短路点、c相下桥臂开关管t2的反并联二极管d2、c相级联h桥开关管t1、t4的反并联二极管d1、d4及其电容cf流入c相，其中经过2nf个h桥子模块的电容cf，可以等效为电压为2nf倍电容电压的直流电压源接入了短路回路。所以，只要能满足等效直流电压源的电压大于交流侧线电压峰值，就能够使得短路电压迅速降低，达到直流故障自清除的目的。

混合级联结构单端口mmc的调制方式一般为混合调制方式，主电路部分和级联h桥部分的调制方式相互独立；同时，混合级联单端口mmc由于交流输出侧为级联h桥结构，可以为主电路提供一定的过调制能力。

在调制比m小于1时，交流输出侧相电压的幅值um1为：

其中：udc为直流母线电压。

当调制比m大于1时，在一定的调制比范围内，变换器仍可以正常运行，即变换器具备一定的过调制能力。混合级联结构单端口mmc下，交流输出侧相电压的幅值u’m1最大可达：

其中：udc为直流母线电压。

(2)基于桥臂复用的双端口mmc。

基于桥臂复用的双端口mmc，如图1右侧虚线框内所示，每相由三个桥臂串联而成，每个桥臂包含nh2个半桥子模块和一个桥臂电抗器，中间桥臂为复用桥臂，其与上下桥臂的链接点为电压输出点，构成双端口mmc的交流输出；与传统六桥臂mmc相比，减少了1/4的半桥子模块和桥臂电抗器的使用数量，两端口输出相电压峰值ujm1和ujm2(j＝a,b,c)分别为：

其中：m1,m2分别为两端交流输出的调制比。

基于桥臂复用的mmc的调制方式有多种，本实施方式只以一种调制方式为例进行说明，调制方式为载波层叠pwm调制：上、下桥臂调制波相互独立，nh2个三角载波幅值和相位相同，垂直位置不同，两者进行比较，生成nh2个子模块驱动信号；对于上桥臂来说，当调制波信号大于载波信号时，驱动信号取1；调制波信号小于载波信号时，驱动信号取0；对于下桥臂来说，当调制波信号小于载波信号时，驱动信号取1；调制波信号大于载波信号时，驱动信号取0；对于共用桥臂来说，其nh2个驱动信号由上桥臂的nh2个驱动信号和下桥臂的nh2个驱动信号通过异或运算得到。

基于桥臂复用的双端口mmc输出相电压的幅值和相位可通过控制调制波参数来调节，若端口输出相电压分别为：

则可令上、下桥臂的调制波分别为：

其中：m1和m2为调制比，ω1和ω2为角频率，和为输出电压相位，θ值在j为a,b,c时，分别等于0、-2π/3、2π/3。

可见，基于桥臂复用的双端口mmc的输出电压的幅值和相位均由调制波决定；因此，通过调节两个调制波的相位，可以满足两端口相角差为30°的相角要求。

(3)公共直流母线。

公共直流母线的作用是连接采用混合级联结构的单端口mmc和基于桥臂互联的双端口mmc，公共直流母线的存在使得直流母线两侧的输出端口互相解耦，便于端口的独立控制。

公共直流母线电压等级取决于三端口所连接的配电网的电压等级，本发明拓扑的目标应用场合中，三端口连接电压等级分别为10kv、10kv、20kv的配电网；其中，混合级联结构单端口mmc连接20kv等级配电网，桥臂互联双端口mmc连接两个10kv等级配电网。

对于混合级联单端口mmc，采取上述调制方法可得：

其中：udc为直流母线电压，um1为端口输出相电压峰值。

对于基于桥臂复用的双端口mmc，取调制比m＝0.9，由可得：

其中：u’jm1为输出相电压峰值，u’dc为直流母线电压。

可见公共直流母线两侧对直流母线电压等级要求较为接近，因此可取直流母线电压udc为28kv。

若直流母线左侧使用传统六桥臂mmc，取调制比m＝0.9，由可得：

其中：um1为端口输出相电压峰值，udc为直流母线电压。

对于基于桥臂复用的双端口mmc，取调制比m＝0.9，由可得：

其中：u’jm1为输出相电压峰值，u’dc为直流母线电压。

可见公大共直流母线两侧对直流母线电压等级要求差别较，直流母线电压udc最低需取37kv。

由上述可知，在右侧端口结构相同均为基于桥臂复用双端口mmc的情况下，本发明拓扑左侧端口采用混合级联结构，降低了变换器拓扑对直流母线电压等级的要求，使得直流母线电压等级与母线两侧所需电压等级相近，有利于提高直流母线的电压利用率，并且避免了因电网的不同电压等级导致的直流母线电压不匹配问题；同时可以看出，本发明拓扑直流母线电压等级较低，有利于降低所使用开关管规格或子模块个数，进而降低设备制造成本。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。